美拉德反应伴生危害物甲基咪唑的形成及其控制技术研究

摘要

美拉德反应伴生危害物是当前食品安全领域的研究热点，其中，甲基咪唑日益受到国际社会的关注，热加工食品中存在的甲基咪唑主要包括2-甲基咪唑和4(5)-甲基咪唑。本文从食品中存在的多种甲基咪唑的同步检测技术研究入手，在进行广泛市场调研的基础上，采用葡萄糖-氨水为模式反应体系，以硫酸亚铁、亚硫酸钠和氨基酸（甘氨酸、半胱氨酸、赖氨酸）作为抑制剂，探索其对美拉德反应伴生危害物甲基咪唑的形成和抑制规律及其影响因素，以期为焦糖色素产业、尤其是氨（铵）法焦糖色素的生产企业在实际生产过程中有效控制4(5)-甲基咪唑提供理论依据和实践指导。主要研究结果如下：
　　1.建立了UPLC-MS/MS方法同步检测食品中的2-甲基咪唑和4(5)-甲基咪唑，对方法学进行了验证，2-甲基咪唑和4(5)-甲基咪唑的检出限分别达到0.5μg/kg和1.4μg/kg，2-甲基咪唑回收率在82.8～100.4％之间，RSD在1.3～4.5％之间，日间RSD在2.0～5.4％之间;4(5)-甲基咪唑回收率在94.1～108.1％之间，RSD在1.0～5.0％之间，日间RSD在1.9～6.5％之间。该方法灵敏度高、准确性好、适用范围广。采用该方法对市售90余种加工食品进行抽样检测，结果表明，食品中2-甲基咪唑含量普遍较低，4(5)-甲基咪唑在酱油、咖啡、可乐、茶叶、饼干中等多种食品中普遍存在，含量相对较高。尤其是，本研究首次揭示了不同品种的茶叶中均存在一定量的4(5)-甲基咪唑。
　　2.采用了葡萄糖-氨水的模式反应体系，系统地研究反应温度、时间、底物浓度对美拉德反应中4(5)-甲基咪唑形成的影响。结果表明，以上因素均与4(5)-甲基咪唑的形成有着密切关系。采用响应面分析法(RSM)优化其形成的最适工艺参数，得出在葡萄糖浓度0.73 mol/L、氨水0.95 mol/L、148℃下反应70 min时，4(5)-甲基咪唑的生成量最大。以此工艺条件下的羰氨缩合反应作为后续进行4(5)-甲基咪唑形成抑制研究的模式体系。
　　3.分别选择硫酸亚铁、亚硫酸钠和氨基酸（甘氨酸、赖氨酸、半胱氨酸）作为抑制剂，研究其对模式反应体系中4(5)-甲基咪唑生成的抑制作用。以抑制率为主要指标，综合对反应产物耐盐性、色泽和风味等品质指标的影响，确定甘氨酸为最适抑制剂，其在模式反应体系中的最适添加水平为0.2 mol/L。然后，采用Logistic-指数动力学模型拟合模式反应体系中甘氨酸的抑制动力学过程。结果表明，甘氨酸在反应前期显著抑制了4(5)-甲基咪唑的形成，而在反应后期对4(5)-甲基咪唑的消除过程无显著影响。
　　本文建立了同步检测食品中2-甲基咪唑和4(5)-甲基咪唑的UPLC-MS/MS法，面上调研发现市售食品中普遍存在较高含量的4(5)-甲基咪唑。通过葡萄糖-氨水的模式反应体系研究其形成和抑制动力学，筛选出甘氨酸为最适抑制剂，当添加剂量为0.2 mol/L时，可达50％以上的抑制效果，同时不仅没有弱化反应产物的品质，反而对（红）色值有一定的提升作用。鉴于甘氨酸本身就是一种大规模生产的、高性价比的食品添加剂，其在焦糖色素制造过程中的应用不存在任何法律法规的障碍，也无须改变工艺流程，无需新增设备投入，在焦糖色素制造业中具有广阔的推广应用前景。本研究成果为降低食品中美拉德反应伴生危害物甲基咪唑的风险提供了一种行之有效的技术方法和控制手段。

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致谢

摘要

第一节 绪论

1．1 焦糖色素简介

1．2 2-MI和4(5)-MI的理化性质

1．3 2-MI和4(5)-MI的形成途径

1．4 2-MI和4(5)-MI的毒性

1．5 2-MI和4(5)-MI的检测方法

1．5．1 色谱法

1．5．2 间接竞争-酶联免疫分析法(ic-ELISA)

1．5．3 电化学抗阻传感器

1．5．4 毛细管电泳法

1．5．5 高效阳离子交换色谱-积分脉冲安培法

1．6 食品中2-MI和4(5)-MI的含量分布

1．7 2-MI和4(5)-MI的控制技术

1．8 立题依据和主要研究内容

1．8．1 立题依据和目的意义

1．8．2 主要研究内容

1．8．3 技术路线图

第二节 食品中2-MI和4(5)-MI同步检测方法的建立

2．1 材料、试剂与设备

2．1．1 材料、药品与试剂

2．1．2 试验设备与耗材

2．2 试验方法

2．2．1 2-MI和4(5)-MI检测方法的建立

2．3 结果与讨论

2．3．1 前处理条件的选择

2．3．2 液相色谱条件的优化

2．3．3 质谱条件的优化

2．3．4 方法学验证

2．3．5 食品中2-MI和4(5)-MI的检测

2．4 小结

第三节 葡萄糖-氨水模式反应体系的建立

3．1 材料、试剂与设备

3．1．1 药品与试剂

3．1．2 试验设备与耗材

3．2 试验方法

3．2．1 4(5)-MI在模式反应体系中的形成规律研究

3．2．2 响应面分析优化模式反应体系的参数

3．2．3 4(5)-MI含量的测定

3．2．4 数据处理及分析

3．3 结果讨论

3．3．1 4(5)-MI在模式反应体系中的形成规律

3．3．2 响应面分析优化模式反应体系中4(5)-MI形成的反应参数

3．4 小结

第四节 不同抑制剂对4(5)-MI的抑制作用研究

4．1 材料、试剂与设备

4．1．1 药品与试剂

4．1．2 试验设备与耗材

4．2 试验方法

4．2．1 不同抑制剂在模式反应体系中抑制4(5)-MI形成的研究

4．2．2 色差的测定

4．2．3 4(5)-MI的含量测定

4．2．4 数据处理及分析

4．3 结果讨论

4．3．1 不同抑制剂对模式反应体系中4(5)-MI抑制作用的评价

4．3．2 氨基酸对反应产物色泽和风味的影响

4．4 小结

第五节 甘氨酸抑制4(5)-MI对产物性质的影响及动力学研究

5．1 材料、试剂与设备

5．1．1 药品与试剂

5．1．2 试验设备与耗材

5．2 试验方法

5．2．1 反应产物的294 nm紫外可见吸收值及褐变颜色的测定

5．2．2 反应产物类黑精含量的测定

5．2．3 反应产物耐盐性的测定

5．2．4 电子鼻对反应产物风味的测定

5．2．5 GC-MS法对吡嗪化合物含量的测定

5．2．6 反应产物的相关性分析

5．2．7 4(5)-MI形成／消除动力学模型的构建

5．3 结果讨论

5．3．1 甘氨酸对反应产物294nm紫外可见吸收值及褐变颜色的影响

5．3．2 甘氨酸对反应产物中类黑精含量的影响

5．3．3 甘氨酸对反应产物耐盐性的影响

5．3．4 甘氨酸对反应产物风味的影响

5．3．5 甘氨酸对反应产物中吡嗪类风味化合物含量的影响

5．3．6 反应产物各指标之间的相关性分析

5．3．7 甘氨酸对模式反应体系中4(5)-MI形成的抑制动力学研究

5．4 小结

第六节 结论和展望

参考文献

作者简介